JP3945265B2 - 内燃機関用スタータジェネレータの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関を始動する始動用電動機（スタータモータ）とバッテリを充電する発電機（ジェネレータ）とを兼ねるスタータジェネレータを制御する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に取り付ける発電機として、磁石発電機が多く用いられている。磁石発電機は、磁石界磁回転形の回転電機であって、機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、機関のケース等に固定される固定子とにより構成される。固定子は、磁石回転子の磁極にギャップを介して対向させられる磁極部を有する電機子鉄心と、該電機子鉄心に巻回された電機子コイルとからなっていて、磁石回転子の回転に伴なって電機子コイルに交流電圧を誘起する。
【０００３】
磁石界磁回転形の回転電機は、その固定子に星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電機子コイルを設けて、回転子の位置に応じて励磁する電機子コイルを切り換える制御を行うことにより、ブラシレス電動機として動作させることができる。
【０００４】
このように、磁石界磁回転形の回転電機は、磁石発電機としても、電動機としても動作させることができるため、この回転電機を機関始動用の電動機とバッテリ充電用発電機とを兼ねるスタータジェネレータ（内燃機関始動用電動機兼発電機）として動作させることが検討されている。
【０００５】
磁石界磁回転形回転電機をスタータジェネレータとして動作させるように制御する制御装置は、固定子側で磁石回転子の磁極の極性を検出して、検出している磁極の極性が変化する毎にレベルが変化する位置検出信号を出力する位置検出器と、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されて正極側及び負極側の直流端子間にバッテリが接続されるとともにｎ個の交流端子が固定子のｎ個の外部端子にそれぞれ接続されたブリッジ形のインバータ回路と、内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に磁石回転子を回転させるべく位置検出器の出力に基づいて決定した相の電機子コイルにバッテリから駆動電流を供給し、内燃機関が始動した後は電機子コイルからインバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリ側に負荷電流を供給するようにインバータ回路のスイッチ素子を制御するコントローラとにより構成される。
【０００６】
機関が始動した後スタータジェネレータを発電機として運転する際には、負荷の状況に応じて、バッテリに印加される電圧が変化し、負荷が軽いときには、バッテリに印加される電圧が上昇してバッテリ及び該バッテリに接続された負荷が破壊されるおそれがある。
【０００７】
特にスタータジェネレータにおいては、機関の始動時に大きなトルクを発生させるように電機子コイルの巻線仕様が設定されるため、機関が始動した後、発電機として動作させた際に電機子コイルに高い誘起電圧が発生し、バッテリ及び負荷に印加される電圧が過大になりやすい。
【０００８】
そこで、バッテリの両端の電圧（バッテリ電圧）を検出して、検出した電圧が設定値を超えたときに、インバータ回路のブリッジの下辺のスイッチ素子を同時にオン状態にして電機子コイルを短絡するか、またはブリッジの下辺のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフさせて電機子コイルの出力を位相制御することによりバッテリ電圧を設定値に保つように調整して、バッテリ及び負荷に過電圧が印加されるのを防止することが考えられている。
【０００９】
また特開２０００−３３３４２７号に示されているように、インバータ回路の交流端子と負極性側の直流端子との間にサイリスタなどの出力短絡用のスイッチ素子を接続して、バッテリ電圧が設定値を超えたときに、出力短絡用スイッチ素子をオン状態にすることにより、バッテリ電圧を設定値に保つための電圧調整を行うことも提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、スタータジェネレータにおいては、機関の始動時に大きなトルクを発生させるように、その電機子コイルの巻線仕様が設定されているため、発電機として動作させた際には、高い出力電圧を発生する。そのため、上記のように、バッテリ電圧が過大になったときに電機子コイルを短絡することにより電圧調整を行うようにした場合には、電圧調整時に大きな短絡電流が流れるため、電機子コイルでの発熱が多くなるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、電機子コイルでの発熱を少なくすることができるようにした内燃機関用スタータジェネレータの制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、ｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子と、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されてブリッジの上辺の共通接続点及び下辺の共通接続点からそれぞれバッテリの正極端子及び負極端子に接続される正極側及び負極側の直流端子が引き出されるとともにｎ個の上辺とｎ個の下辺とのそれぞれの接続点からｎ個の交流端子が引き出されて、ｎ個の交流端子が固定子のｎ個の外部端子に接続されるブリッジ形のインバータ回路と、内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に前記磁石回転子を回転させるための駆動電流をバッテリから電機子コイルに流すようにインバータ回路のスイッチ素子に駆動信号を供給し、内燃機関が始動した後は電機子コイルからインバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリ側に電流を供給すべくインバータ回路のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止するインバータ制御手段とを備えた内燃機関用スタータジェネレータを制御する制御装置を対象とする。
【００１３】
本発明においては、固定子のｍ個（ｍは２以上ｎ未満の整数）の外部端子とインバータ回路の対応するｍ個の交流端子との間をそれぞれ接続する回路の少なくとも１つに挿入されて、固定子のｍ個の外部端子の一部とインバータ回路の対応する交流端子との間をオンオフする少なくとも１つの出力抑制用スイッチと、固定子のｎ−ｍ個の外部端子とインバータ回路の対応するｎ−ｍ個の交流端子との間をそれぞれ接続するｎ−ｍ個の回路の少なくとも１つに挿入されて、該ｎ−ｍ個の交流端子の少なくとも１つとインバータ回路の対応する交流端子との間をオンオフする少なくとも１つの電圧調整用スイッチと、バッテリの両端の電圧を検出する電圧検出回路と、内燃機関の始動時には出力抑制用スイッチをオン状態に保持し、内燃機関が始動した後は出力抑制用スイッチをオフ状態に保持するように出力抑制用スイッチを制御する出力抑制用スイッチ制御手段と、内燃機関の始動時には電圧調整用スイッチをオン状態に保ち、内燃機関が始動した後は、電圧検出回路により検出される電圧が設定値以下のときに電圧調整用スイッチをオン状態に保ち、電圧検出回路により検出される電圧が設定値を超えたときに電圧調整用スイッチをオフ状態にするように電圧調整用スイッチを制御する電圧調整用スイッチ制御手段とを設ける。
【００１４】
上記のように、固定子の外部端子とインバータ回路の交流端子との間に電圧調整用スイッチを接続して、電圧検出回路により検出されるバッテリ電圧が設定値を超えたときに電圧調整用スイッチをオフ状態にすることにより電圧調整を行うようにすると、電機子コイルを短絡することにより電圧調整を行う場合に比べて、電機子コイルでの発熱を大幅に少なくすることができる。
【００１５】
また上記のように、固定子の外部端子とインバータ回路の交流端子との間に出力抑制用スイッチを設けて、内燃機関が始動した後に出力抑制用スイッチをオフ状態にすることにより固定子の外部端子の一部をインバータ回路から切り離すようにすると、機関が始動した後に電機子コイルから負荷に過大な電力が供給されるのを防ぐことができ、バッテリ及び負荷に供給される電流が過大になるのを防ぐことができる。
【００１６】
上記電圧調整用スイッチとしては、リレーを用いることもできるが、装置の寿命を長くするためには、電圧調整用スイッチとして、高速でスイッチング動作を行うことができる半導体スイッチ素子を用いるのが好ましい。
【００１７】
電圧調整用スイッチを単一の半導体スイッチ素子により構成する場合には、該半導体スイッチ素子として、トライアックなどの双方向性を有する半導体スイッチ素子を用いる必要がある。
【００１８】
しかし内燃機関の始動時に必要とされる大きな電機子電流を、高速でスイッチング動作を行う半導体スイッチ素子を通して流そうとすると、該スイッチ素子として高価なものを用いることが必要になり、制御装置のコストが高くなるのを避けられない。
【００１９】
本発明においては、コストの削減を図るために、高速でスイッチング動作を行うことができる半導体スイッチ素子からなる第１のスイッチと、内燃機関を始動する際に電機子コイルに流す大電流を通電し得る電流容量を有するスイッチ素子からなっていて第１のスイッチの両端に並列に接続された第２のスイッチとにより電圧調整用スイッチを構成する。
【００２０】
この場合、電圧調整用スイッチ制御手段は、内燃機関の始動時に第１のスイッチをオフにした状態で第２のスイッチをオン状態に保ち、内燃機関が始動した後は、前記のスイッチをオフにした状態で第１のスイッチを電圧検出回路により検出される電圧に応じてオンオフさせるように構成する。
【００２１】
上記第１のスイッチは、双方向性を有する半導体スイッチ素子により構成してもよく、単方向を有する半導体スイッチ素子により構成してもよい。
【００２２】
また上記第２のスイッチは、高速でのスイッチング動作を必要とせず、大電流を遮断する必要がないため、安価なリレーの接点により構成してコストの削減を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明に係わるスタータジェネレータの制御装置の全体的な構成を示したブロック図、図２（Ａ）ないし（Ｄ）は、図１の制御装置で用いる電圧調整用スイッチの構成例を示した回路図である。
【００２４】
図１において１は内燃機関（Ｅ／Ｇ）、２はスタータジェネレータ、３はバッテリ、４はバッテリ３とスタータジェネレータ２との間に設けられたインバータ回路、５はインバータ回路４とスタータジェネレータ２との間に挿入されたスイッチ回路、６はインバータ回路４及びスイッチ回路５を制御するコントローラ、７はバッテリ３の両端に負荷投入用スイッチ８を介して接続された負荷である。
【００２５】
スタータジェネレータ２は、内燃機関１のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、星形結線または環状結線されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子とを備えたものである。
【００２６】
図示の例では、スタータジェネレータ２の固定子に４個の電機子コイルＬａｂ，Ｌｂｃ，Ｌｃｄ及びＬｄａが設けられていて、固定子から４個の外部端子２ａ，２b，２ｃ及び２ｄが導出されている。また磁石回転子（図示せず。）は２極に構成されている。
【００２７】
この例では、４個の電機子コイルがＵ，Ｖ２相の電機子コイルを構成するように結線されていて、磁石発電機として駆動された際に、図７（Ａ）ないし（Ｄ）に示したように、対角位置（電気角で１８０°離れた位置）にある対の電機子コイル（Ｌａｂ，Ｌｃｄ）及び（Ｌｂｃ，Ｌｄａ）に同位相の電圧が誘起し、隣接位置にある対のコイル（電気角で９０°離れた位置）にある対のコイル（Ｌａｂ，Ｌｂｃ），（Ｌｂｃ，Ｌｃｄ），（Ｌｃｄ，Ｌｄａ）及び（Ｌｄａ，Ｌａｂ）にそれぞれ逆位相の電圧が誘起するようになっている。なお図７（Ａ）ないし（Ｄ）において、各電機子コイルに添わせて表示した矢印は、スタータジェネレータが磁石発電機として運転された際に各電機子コイルに流れる電流の方向を示したものであり、同図（Ａ）ないし（Ｄ）は、磁石回転子（２極）が１回転する間に生じる各電機子コイルの電流の方向の変化を、９０度（磁石回転子の回転角度）間隔で示したものである。
【００２８】
スタータジェネレータ２の固定子側には、Ｕ，Ｖ２相の電機子コイルのそれぞれに対して回転子の磁極の極性を検出して、検出している磁極がＳ極のときとＮ極のときとで異なるレベルを示す矩形波状の位置検出信号Ｈｕ及びＨｖを出力する位置検出器ｈｕ及びｈｖが設けられている。これらの位置検出器ｈｕ，ｈｖは例えばホールＩＣにより構成される。
【００２９】
インバータ回路４は、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個（図示の例ではｎ＝４）の上辺及び下辺がそれぞれ構成されたブリッジ形の回路からなっている。図示の例では、ｎ＝４に設定されていて、各スイッチ素子がＭＯＳＦＥＴからなっている。
【００３０】
即ち、図示のインバータ回路４においては、ドレインが共通接続されたＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄと、これらのＭＯＳＦＥＴのドレインソース間にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤａないしＤｄとによりブリッジの上辺が構成され、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄのソースにそれぞれドレインが接続され、ソースが共通に接続されたＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｄ’と、これらに逆並列接続された帰還用ダイオードＤａ’ないしＤｄ’とによりブリッジの下辺が構成されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄのドレインの共通接続点（ブリッジの上辺の共通接続点）及びＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｄ’のソースの共通接続点（ブリッジの下辺の共通接続点）からそれぞれ正極側直流端子４ｐ及び負極側の直流端子４ｎが導出され、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄのソースとＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｄ’のドレインとの接続点（ブリッジの上辺と下辺とのそれぞれの接続点）からそれぞれ交流端子４ａないし４ｄが導出されている。
【００３１】
なお図示の例では、帰還用ダイオードＤａないしＤｄ及びＤａ’ないしＤｄ’としてそれぞれＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のドレインソース間に形成された寄生ダイオードが利用されている。
【００３２】
このインバータ回路においては、帰還用ダイオードＤａないしＤｄ及びＤａ’ないしＤｄ’により、ダイオードブリッジ全波整流回路が構成され、スタータジェネレータが発電機として動作しているときにインバータ回路のスイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴをオフ状態に保つことにより、スタータジェネレータ２の電機子コイルから帰還用ダイオードにより構成された整流回路を通してバッテリ側に負荷電流を供給し得るようになっている。
【００３３】
インバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートにはそれぞれコントローラ６から駆動信号ＡないしＤ及びＡ’ないしＤ’が与えられるようになっていて、これらの駆動信号ＡないしＤ及びＡ’ないしＤ’がそれぞれ与えられたときにＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’がオン状態になる。
【００３４】
スタータジェネレータ２の固定子の外部端子とインバータ回路の交流端子との間に設けられるスイッチ回路５は、固定子のｍ個（ｍは２以上ｎ未満の整数）の外部端子とインバータ回路４の対応するｍ個の交流端子との間をそれぞれ接続する回路の少なくとも１つに挿入されて、固定子のｍ個の外部端子の一部とインバータ回路の対応する交流端子との間をオンオフする少なくとも１つの出力抑制用スイッチと、固定子のｎ−ｍ個の外部端子と前記インバータ回路の対応するｎ−ｍ個の交流端子との間をそれぞれ接続するｎ−ｍ個の回路の少なくとも１つに挿入されて、該ｎ−ｍ個の交流端子の少なくとも１つと前記インバータ回路の対応する交流端子との間をオンオフする少なくとも１つの電圧調整用スイッチとにより構成される。
【００３５】
図示の例では、スタータジェネレータの固定子の１つの外部端子２ａとインバータ回路４の１つの交流端子４ａとの間を接続する回路に挿入された電圧調整用スイッチ５ａと、固定子の他の２つの外部端子２ｃ及び２ｄのそれぞれとインバータ回路４の交流端子４ｃ及び４ｄとの間をそれぞれ接続する回路に挿入された出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄとによりスイッチ回路５が構成されている。固定子の他の１つの外部端子２ｂとインバータ回路４の他の１つの交流端子４ｂとの間は直結されている。
【００３６】
バッテリ３の両端には、抵抗Ｒ１及びＲ２の直列回路からなる抵抗分圧回路が接続され、この抵抗分圧回路と抵抗Ｒ２の両端に接続されたコンデンサＣ１とによりバッテリの両端の電圧の平均値を検出する電圧検出回路９が構成されている。
【００３７】
コントローラ６はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータと、Ａ／Ｄ変換器と、スタータジェネレータ２をブラシレス直流モータとして動作させる際にインバータ回路４を制御するドライバＩＣとを備えていて、コントローラ６のＡ／Ｄ変換器に、抵抗Ｒ２の両端に得られる電圧検出回路９の出力電圧が抵抗Ｒ３を通して入力されている。コントローラ６にはまた位置検出器ｈｕ及びｈｖがそれぞれ出力する位置検出信号Ｈｕ及びＨｖと、抵抗器Ｒ４を通して一定の直流電圧が印加されたセルスイッチＣＳの両端に得られる始動指令信号とが入力されている。
【００３８】
この例では、抵抗器Ｒ４とセルスイッチＣＳとこれらの直列回路の両端に直流電圧を印加する図示しない電源回路とにより始動指令発生手段１０が構成されている。
【００３９】
コントローラ６に設けられたドライバＩＣは、ブラシレス直流モータ駆動用のＩＣ（半導体集積回路）で、マイクロコンピュータから駆動指令信号が与えられたときに、スタータジェネレータ２をブラシレス直流モータとして動作させるべく、位置検出器ｈｕ，ｈｖが出力する位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖに基づいて決定した相の電機子コイルにバッテリ３から駆動電流を供給するようにインバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートにそれぞれ駆動信号（ＭＯＳＦＥＴをオン状態にするための信号）ＡないしＤ及びＡ’ないしＤ’を供給する。
【００４０】
本発明においては、コントローラ６のマイクロコンピュータに所定のプログラムを実行させることにより、各種の機能実現手段を構成する。コントローラ６により実現される機能実現手段を含む制御装置の全体的な構成を図３に示した。
【００４１】
図３において１１は機関の回転速度（スタータジェネレータの回転子の回転速度）を検出する回転速度検出手段、１２は回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度以上になったときに機関が始動したことを検出する始動完了検出手段、１３はインバータ回路４を制御するインバータ制御手段、１４はスイッチ回路５の出力抑制用スイッチを制御する出力抑制用スイッチ制御手段、１５はスイッチ回路５の電圧調整用スイッチを制御する電圧調整用スイッチ制御手段である。
【００４２】
回転速度検出手段１１は、機関のクランク軸が一定の角度回転するのに要する時間（スタータジェネレータの回転子が所定の角度回転するのに要する時間）から回転速度を検出するように構成することができる。例えば、位置検出器ｈｕ及びｈｖがそれぞれ発生する位置検出信号Ｈｕ及びＨｖのレベル変化の時間間隔（例えば位置検出信号Ｈｕの立上がりから位置検出信号Ｈｕの立下がりまでの時間や、位置検出信号Ｈｕの立上がりから位置検出信号Ｈｖの立上がりまでの時間等）から機関の回転速度を演算するプログラムをコントローラ６のマイクロコンピュータに実行させることにより回転速度検出手段を構成することができる。
【００４３】
始動完了検出手段１２は、回転速度検出手段１１により検出された回転速度が設定速度以上であるか否かを判定して、回転速度検出手段１１により検出された回転速度が設定速度以上になったときに機関の始動が完了したと判定する過程により構成することができる。
【００４４】
インバータ制御手段１３は、内燃機関の始動時に、スタータジェネレータ２をブラシレス直流モータとして動作させて、機関を始動させる方向に磁石回転子を回転させるべく、ドライバＩＣに駆動指令信号を与え、内燃機関の始動が完了した時に該ドライバＩＣへの駆動指令信号の供給を停止する。
【００４５】
ドライバＩＣは、上記インバータ制御手段１３により駆動指令信号が与えられたときにスタータジェネレータ２をブラシレス直流モータとして動作させて機関を始動させる方向にスタータジェネレータを回転させるべく、位置検出器ｈｕ，ｈｖが出力する位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖに基づいて決定した相の電機子コイルにバッテリ３から駆動電流を供給するように、インバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートに駆動信号を供給する。
【００４６】
ドライバＩＣはまた、インバータ制御手段１３による駆動指令信号の供給が停止したときに、インバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’のゲートへの駆動信号の供給を停止する。
【００４７】
ドライバＩＣがインバータ回路４のＭＯＳＦＥＴへの駆動信号の供給を停止すると、内燃機関により駆動されて磁石発電機として動作するスタータジェネレータ２の電機子コイルからインバータ回路４の帰還ダイオードＤａないしＤｄ及びＤａ’ないしＤｄ’により構成されるダイオードブリッジ全波整流回路を通してバッテリ３及び負荷７に負荷電流が供給される。
【００４８】
出力抑制用スイッチ制御手段１４は、内燃機関の始動時にはスイッチ回路５の出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄをオン状態に保持し、内燃機関が始動した後は出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄをオフ状態に保持するように出力抑制用スイッチを制御するように構成される。
【００４９】
また電圧調整用スイッチ制御手段１５は、内燃機関の始動時には電圧調整用スイッチ５ａをオン状態に保ち、内燃機関が始動した後は、電圧検出回路９により検出される電圧が設定値以下のときに電圧調整用スイッチ５ａをオン状態に保ち、電圧検出回路９により検出される電圧が設定値を超えたときに電圧調整用スイッチ５ａをオフ状態にするように電圧調整用スイッチ５ａを制御するように構成される。
【００５０】
上記のように、機関の始動時には、出力抑制用スイッチ５ｃ及５ｄと電圧調整用スイッチ５ａとがオン状態に保持され、これによりスタータジェネレータのすべての電機子コイルがインバータ回路を通してバッテリに接続されるため、スタータジェネレータから大きなトルクを発生させて、機関の始動動作を行わせることができる。
【００５１】
また機関が始動した後は、出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄがオフ状態にされて、スタータジェネレータの固定子の出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄが開かれることにより、固定子の外部端子２ｃ及び２ｄがインバータ回路から切り離されるため、磁石発電機として動作するスタータジェネレータの固定子の外部端子２ａ，２ｂ間からインバータ回路内の帰還ダイオードＤａ，Ｄｂ，Ｄａ’及びＤｂ’により構成された整流回路を通してバッテリ３及び負荷７に電力が供給される。出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄが開かれた状態では、電機子コイルＬａｂの出力と、電機子コイルＬｂｃないしＬｄａの直列回路の両端に得られる出力とが外部端子２ａ，２ｂ間からインバータ回路４に供給され、図７（Ａ）ないし（Ｄ）に示したように、スタータジェネレータの固定子側からインバータ回路内の整流回路を通して負荷側に電流ＩＬが流れる。このとき、３つの電機子コイルＬｂｃ，Ｌｃｄ及びＬｄａの直列回路では、２つの電機子コイルＬｂｃ及びＬｄａを流れる電流が互いに逆方向となって打ち消し合うため、固定子全体としては、２つの電機子コイルＬａｂとＬｃｄとが互いに並列に接続された状態と等価な状態になる。そのため、機関が始動した後は、４つの電機子コイルＬａｂ，Ｌｂｃ，Ｌｃｄ及びＬｄａの内、２つの電機子コイルＬａｂ及びＬｃｄの出力のみがインバータ回路内の整流回路を通してバッテリ及び負荷に供給される状態にすることができ、磁石発電機として動作するスタータジェネレータからバッテリ及び負荷に供給される電流を制限することができる。
【００５２】
またバッテリの両端の電圧が設定値を超えたときには、電圧調整用スイッチ５ａがオフ状態になるため、短絡電流を流すことなくバッテリに印加される電圧を低下させて、バッテリ及び負荷を過電圧から保護することができ、電機子コイルからの発熱を抑制しつつ、電圧調整を行うことができる。
【００５３】
コントローラ６は、マイクロコンピュータに所定のプログラムを実行させることにより、上記回転速度検出手段１１と、始動完了検出手段１２と、インバータ制御手段１３と、出力抑制用スイッチ制御手段１４と、電圧調整用スイッチ制御手段１５とを実現する。
【００５４】
上記始動完了検出手段と、インバータ制御手段と、出力抑制用スイッチ制御手段と、電圧調整用スイッチ制御手段とを実現するためにコントローラ６のマイクロコンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示したフローチャートを図４ないし図６に示した。図４ないし図６はそれぞれマイクロコンピュータが微小時間間隔で実行するタスク１ないし３のアルゴリズムを示したもので、図４に示したタスク１では、先ずステップ１でスイッチＣＳが閉じているか否かを判定する。その結果始動指令スイッチが閉じていると判定されたときには、ステップ２においてフラグＦ１を「１」とする。
【００５５】
タスク１が実行された後、図５に示したタスク２が実行される。図５に示したタスク２では、フラグＦ１が１であるか否かを判定し、その結果フラグＦ１が１であると判定されたときには、ステップ２において、回転速度検出手段により検出された回転速度Ｎが機関の始動を判定するための設定速度Ｎｓ以上になったか否かを判定する。ステップ２において回転速度が設定速度Ｎｓよりも低いと判定されたときには、ステップ３に進んで出力抑制用スイッチ５ｃと５ｄとをオン状態にし、ステップ４で電圧調整用スイッチ５ａをオン状態にする。次いでステップ５でドライバＩＣに駆動指令信号を与えて、スタータジェネレータ２をブラシレス直流モータとして動作させるようにドライバＩＣからインバータ回路４のＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｄ及びＦａ’ないしＦｄ’に駆動信号ＡないしＤ及びＡ’ないしＤ’を与える。これにより機関のクランク軸を始動方向に回転させる。
【００５６】
図６に示したタスク３では、ステップ１でフラグＦ１が０であるか否かを判定する。機関の始動時には、図４のタスクのステップ２でフラグＦ１が１にされているため、図６のタスクでは、ステップ１でフラグが１であると判定される。図６のタスク３のステップ１でフラグが１であると判定されたときには、何もしないで次のタスクに移行する。
【００５７】
また図示しないタスクにより、内燃機関の点火時期に、内燃機関用点火装置に点火指令が与えられる。これにより点火装置が点火動作を行い、機関のシリンダに取り付けられた点火プラグで火花を生じさせる。
【００５８】
このようにして機関の始動操作を開始した後、図５のタスク２のステップ２で回転速度Ｎが設定速度Ｎｓ以上になった（機関の始動が完了した）と判定されたときには、ステップ６でドライバＩＣへの駆動指令信号の供給を停止させ、インバータ回路への駆動信号の供給を停止させる。その後ステップ７で出力抑制用スイッチをオフ状態にした後、ステップ８でフラグＦ１を「０」として、次のタスクに移行する。
【００５９】
このように、機関が始動した後は、フラグＦ１が０になるため、次にタスク２が実行されたときには、ステップ１でフラグＦ１が１でないと判定される。従って、機関が始動した後は、タスク２でステップ１のみが実行され、その後直ちに次のタスク３が実行される。このときタスク３では、ステップ１においてフラグＦ１が０であると判定されるため、続いてステップ２で電圧検出回路９により検出されたバッテリの両端の電圧Ｖと設定値Ｖｓとが比較される。その結果、電圧Ｖが設定値Ｖｓ以下であるときには、ステップ３を実行して電圧調整用スイッチ５ａをオン状態にしてこのタスクを終了する。
【００６０】
図６のタスク３において、ステップ２でバッテリの両端の電圧Ｖが設定値を超えたと判定されたときには、次いでステップ４を実行して電圧調整用スイッチ５ａをオフ状態にし、磁石発電機として動作しているスタータジェネレータをインバータ回路４から切り離す。これによりスタータジェネレータ２からインバータ回路４の帰還用ダイオードにより構成された整流回路を通してバッテリ３及び負荷７に過電圧が印加されるのを阻止し、バッテリ３及び負荷７を過電圧から保護する。
【００６１】
図４ないし図６に示した例では、図４のタスク１と、図５のステップ１及び２とステップ５とコントローラ６に設けられたドライバＩＣとにより、インバータ制御手段が構成される。
【００６２】
また図５のステップ２により始動完了検出手段１１が構成され、図５のステップ１及び２とステップ３とステップ７とにより出力抑制用スイッチ制御手段が、また図５のステップ１及び２とステップ４と図６のタスク３とにより電圧調整用スイッチ制御手段がそれぞれ構成される。
【００６３】
上記の例では、タスク１ないし３のフローチャートのみを示したが、コントローラ６に設けられたマイクロコンピュータが実行するプログラムは、回転速度の演算、演算した回転速度に対する点火時期の演算、演算した点火時期の検出など、機関を動作させるために必要な処理を行う更に他のタスクを実行するように構成される。これらのタスクは従来から知られているアルゴリズムに従って作成すればよいので、その説明は省略する。
【００６４】
図１に示したスイッチ回路５を構成する電圧調整用スイッチ５ａは、図２（Ａ）に示したようにリレーの常開接点により構成することができる。このように、電圧調整用スイッチ５ａとしてリレーの接点を用いた場合には、電圧調整用スイッチのコストを安くすることができるが、機関の高速時に該接点が大きな電流を遮断することになるため、その寿命が短くなるのを避けられない。
【００６５】
電圧調整用スイッチ５ａの寿命を長くするためには、電圧調整用スイッチとして、高速でスイッチング動作を行うことができる半導体スイッチ素子を用いるのが好ましい。
【００６６】
電圧調整用スイッチ５ａを単一の半導体スイッチ素子により構成する場合には、図２（Ｂ）に示すように、該半導体スイッチとして、トライアックなどの双方向性を有する半導体スイッチ素子を用いる必要がある。
【００６７】
この場合、内燃機関の始動時に必要とされる大きな電機子電流を、半導体スイッチ素子を通して流すためには、該スイッチ素子（図２Ｂの例ではトライアック）として高価なものを用いることが必要になり、制御装置のコストが高くなるのを避けられない。
【００６８】
コストの削減を図るためには、図２（Ｃ）または（Ｄ）に示したように、高速でスイッチング動作を行うことができる半導体スイッチ素子からなる第１のスイッチ５ａ１と、内燃機関を始動する際に電機子コイルに流す大電流を通電し得る電流容量を有するスイッチ素子からなっていて第１のスイッチの両端に並列に接続された第２のスイッチ５ａ２とにより電圧調整用スイッチ５ａを構成するのが好ましい。
【００６９】
図２（Ｃ）に示した例では、第１のスイッチ５ａ１がトライアックからなり、第２のスイッチ５ａ２がリレーの常開接点からなっている。また図２（Ｄ）に示した例では、第１のスイッチ５ａ１がサイリスタからなり、第２のスイッチ５ａ２がリレーの常開接点からなっている。
【００７０】
上記第２のスイッチは、高速でのスイッチング動作を必要とせず、大電流を遮断する必要がないため、上記のように安価なリレーの接点により構成してコストの削減を図ることができる。
【００７１】
図２（Ｃ）または（Ｄ）に示したように、第１のスイッチ５ａ１と第２のスイッチ５ａ２とにより電圧調整用スイッチ５ａを構成する場合、電圧調整用スイッチ制御手段は、内燃機関の始動時に第１のスイッチをオフにした状態で第２のスイッチをオン状態に保ち、内燃機関が始動した後は、第２のスイッチをオフにした状態で第１のスイッチを電圧検出回路９により検出される電圧に応じてオンオフさせるように構成する。
【００７２】
上記の例では、スタータジェネレータの固定子に，２相の電機子コイルを設けたが、３相以上の更に多相の電機子コイルを設ける場合にも本発明を適用することができるのはもちろんである。
【００７３】
上記の例では、スタータジェネレータの固定子に設ける電機子コイルを環状結線しているが、複数の電機子コイルを星形結線する場合にも本発明を適用することができるのはもちろんである。固定子に３相の電機子コイルを設けて、これらの電機子コイルを星形結線する場合の構成例を図８に示した。
【００７４】
図８に示した例では、３相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗが星形結線されて、これらの電機子コイルの非中性点側の端子からそれぞれ外部端子２ａ，２ｂ及び２ｃが導出されている。
【００７５】
また図示のインバータ回路４は、ドレインが共通接続されたＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｃと、これらのＭＯＳＦＥＴのドレインソース間にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤａないしＤｃとによりブリッジの上辺が構成され、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｃのソースにそれぞれドレインが接続され、ソースが共通に接続されたＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｃ’と、これらに逆並列接続された帰還用ダイオードＤａ’ないしＤｃ’とによりブリッジの下辺が構成されたブリッジ形の３相インバータ回路からなっている。
【００７６】
そして、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｃのドレインの共通接続点（ブリッジの上辺の共通接続点）及びＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｃ’のソースの共通接続点（ブリッジの下辺の共通接続点）からそれぞれ正極側直流端子４ｐ及び負極側の直流端子４ｎが導出され、ＭＯＳＦＥＴ ＦａないしＦｃのソースとＭＯＳＦＥＴ Ｆａ’ないしＦｃ’のドレインとの接続点（ブリッジの上辺と下辺とのそれぞれの接続点）からそれぞれ交流端子４ａないし４ｃが導出されている。
【００７７】
そして、この例では、固定子の外部端子２ａとインバータ回路の交流端子４ａとの間を接続する回路に電圧調整用スイッチ５ａが挿入され、固定子の外部端子２ｃとインバータ回路の交流端子４ｃとの間を接続する回路に出力抑制用スイッチ５ｃが挿入されている。また固定子の外部端子２ｂとインバータ回路の交流端子４ｂとの間はスイッチを介することなく直結されている。
【００７８】
またスタータジェネレータ２には、３相の電機子コイルＬｕないしＬｗのそれぞれに対して磁石回転子の磁極の極性を検出して、回転子の回転角度位置情報を含む位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ及びＨｗを発生する位置検出器ｈｕ，ｈｖ及びｈｗが設けられ、これらの位置検出器から得られる位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ及びＨｗがコントローラ６のドライバＩＣに入力されている。ドライバＩＣは、スタータジェネレータを電動機として駆動する際に、回転子を機関の始動方向に回転させるべく、位置検出信号Ｈｕ，Ｈｖ及びＨｗに応じて固定子の励磁相を決定して、決定した相の電機子コイルに駆動電流を流すように、インバータ回路のスイッチ素子に与える駆動信号ＡないしＣ及びＡ’ないしＣ’を発生する。
【００７９】
機関を始動する際には、電圧調整用スイッチ５ａ及び出力抑制用スイッチ５ｃを共にオン状態にして、インバータ回路のスイッチ素子を制御することにより、スタータジェネレータの回転子を機関の始動方向に回転させ、機関が始動した後は、出力抑制用スイッチ５ｃをオフ状態にして、バッテリの両端の電圧に応じて電圧調整用スイッチをオンオフさせることにより、電圧調整を行わせる。これらの動作を行わせるための機能実現手段を構成するためにコントローラのマイクロコンピュータにより実行させるプログラムのアルゴリズムは、図１の実施形態の場合と同様である。
【００８０】
上記の例では、コントローラ６にドライバＩＣを設けているがドライバＩＣの機能をコントローラに設けるマイクロコンピュータにより実現するようにしてもよいのはもちろんである。
【００８１】
上記の例では、スタータジェネレータの固定子の外部端子の一部とインバータ回路の対応する交流端子との間を直結しているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、機関が始動した後に負荷電流を流す固定子の外部端子とインバータ回路の交流端子との間をそれぞれ接続する回路のすべてに電圧調整用スイッチを挿入するようにしてもよい。例えば、図１に示した実施形態において、固定子の外部端子２ｂとインバータ回路の交流端子４ｂとの間を接続する回路にも電圧調整用スイッチを挿入してもよい。
【００８２】
また図１に示した例では、２つの出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄを設けているが、固定子の２以上の外部端子をインバータ回路に接続しても機関が始動した後にバッテリ及び負荷に供給される電流が過大にならない場合（例えば負荷７が大きい場合）には、これらの出力抑制用スイッチの一方を省略することもできる。
【００８３】
また図１に示した例において、負荷７が大きくなって、出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄの双方をオフ状態にしたのでは、出力が不足する状態になったときに出力抑制用スイッチ５ｃ及び５ｄの一方をオン状態にするように、出力抑制用スイッチ制御手段を構成することもできる。
【００８４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、スタータジェネレータの固定子の外部端子とインバータ回路の交流端子との間に電圧調整用スイッチを接続して、電圧検出回路により検出されるバッテリ電圧が設定値を超えたときに電圧調整用スイッチをオフ状態にすることにより電圧調整を行うようにしたので、電機子コイルを短絡することにより電圧調整を行う場合に比べて、電機子コイルでの発熱を大幅に少なくすることができる利点がある。
【００８５】
また本発明においては、固定子の外部端子とインバータ回路の交流端子との間に出力抑制用スイッチを設けて、内燃機関が始動した後に出力抑制用スイッチをオフ状態にすることにより固定子の外部端子の一部をインバータ回路から切り離すようにしたので、機関が始動した後に電機子コイルから負荷に過大な電力が供給されるのを防ぐことができ、バッテリ及び負荷に供給される電流が過大になるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の構成を一部ブロック化して示した回路図である。
【図２】 （Ａ）ないし（Ｄ）は、図１のスイッチ回路に設ける電圧調整用スイッチの異なる構成例を示した回路図である。
【図３】 本発明の実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】 本発明の実施形態においてマイクロコンピュータが実行するプログラムの第１のタスクのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図５】 本発明の実施形態においてマイクロコンピュータが実行するプログラムの第２のタスクのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】 本発明の実施形態においてマイクロコンピュータが実行するプログラムの第３のタスクのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図７】 （Ａ）ないし（Ｄ）は図１のスタータジェネレータが発電機として動作しているときに各電機子コイルに流れる電流を示した回路図である。
【図８】 本発明の他の実施形態の構成を一部ブロック化して示した回路図である。
【符号の説明】
２…スタータジェネレータ、３…バッテリ、４…インバータ回路、５…スイッチ回路、５ａ…電圧調整用スイッチ、５ｃ，５ｄ…出力抑制用スイッチ、６…コントローラ、７…負荷、９…電圧検出回路、１１…回転速度検出手段、１３…インバータ制御手段、１４…出力抑制用スイッチ制御手段、１５…電圧調整用スイッチ制御手段。

Claims (4)

1. 内燃機関のクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、ｎ個（ｎは３以上の整数）の電機子コイルを有して該ｎ個の電機子コイルからｎ個の外部端子が導出された固定子と、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還用ダイオードとによりブリッジのｎ個の上辺及びｎ個の下辺がそれぞれ構成されてブリッジの上辺の共通接続点及び下辺の共通接続点からそれぞれバッテリの正極端子及び負極端子に接続される正極側及び負極側の直流端子が引き出されるとともに前記ｎ個の上辺とｎ個の下辺とのそれぞれの接続点からｎ個の交流端子が引き出されて、前記ｎ個の交流端子が前記固定子のｎ個の外部端子に接続されるブリッジ形のインバータ回路と、前記内燃機関の始動時には該内燃機関を始動させる方向に前記磁石回転子を回転させるための駆動電流を前記バッテリから前記電機子コイルに流すように前記インバータ回路のスイッチ素子に駆動信号を供給し、前記内燃機関が始動した後は前記電機子コイルから前記インバータ回路の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通して前記バッテリ側に電流を供給すべく前記インバータ回路のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止するインバータ制御手段とを備えた内燃機関用スタータジェネレータを制御する制御装置であって、
   前記固定子のｍ個（ｍは２以上ｎ未満の整数）の外部端子と前記インバータ回路の対応するｍ個の交流端子との間をそれぞれ接続する回路の少なくとも１つに挿入されて、前記固定子のｍ個の外部端子の一部と前記インバータ回路の対応する交流端子との間をオンオフする少なくとも１つの出力抑制用スイッチと、
   前記固定子のｎ−ｍ個の外部端子と前記インバータ回路の対応するｎ−ｍ個の交流端子との間をそれぞれ接続するｎ−ｍ個の回路の少なくとも１つに挿入されて、該ｎ−ｍ個の交流端子の少なくとも１つと前記インバータ回路の対応する交流端子との間をオンオフする少なくとも１つの電圧調整用スイッチと、 前記バッテリの両端の電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記内燃機関の始動時には前記出力抑制用スイッチをオン状態に保持し、前記内燃機関が始動した後は前記出力抑制用スイッチをオフ状態に保持するように前記出力抑制用スイッチを制御する出力抑制用スイッチ制御手段と、
   前記内燃機関の始動時には前記電圧調整用スイッチをオン状態に保ち、前記内燃機関が始動した後は、前記電圧検出回路により検出される電圧が設定値以下のときに前記電圧調整用スイッチをオン状態に保ち、前記電圧検出回路により検出される電圧が設定値を超えたときに前記電圧調整用スイッチをオフ状態にするように前記電圧調整用スイッチを制御する電圧調整用スイッチ制御手段と、
   を備え、
   前記電圧調整用スイッチは、高速でスイッチング動作を行うことができる半導体スイッチ素子からなる第１のスイッチと、前記内燃機関を始動する際に前記電機子コイルに流す大電流を通電し得る電流容量を有するスイッチ素子からなっていて前記第１のスイッチの両端に並列に接続された第２のスイッチとからなり、
   前記電圧調整用スイッチ制御手段は、前記内燃機関の始動時に前記第１のスイッチをオフにした状態で前記第２のスイッチをオン状態に保ち、前記内燃機関が始動した後は、前記第２のスイッチをオフにした状態で前記第１のスイッチを前記電圧検出回路により検出される電圧に応じてオンオフさせるように構成されていること、
   を特徴とする内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。
2. 前記第１のスイッチは、双方向性を有する半導体スイッチ素子からなっている請求項１に記載の内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。
3. 前記第１のスイッチは単方向を有する半導体スイッチ素子からなっている請求項１に記載の内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。
4. 前記第２のスイッチはリレーの接点からなっている請求項１ないし３のいずれか一つに記載の内燃機関用スタータジェネレータの制御装置。

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